1. 二次型
称含有n个变量 的二次齐次函数
为二次型。
2. 二次型的矩阵形式
3. 二次型的秩
f的秩=R(A).
4. 二次型的标准形
称只含有平方项的二次型 为二次型的标准形(或法式)。
1. 设可逆的线性变换x=Cy,将f化成标准形,即
其实质将对称矩阵A化成对角阵L。
2. 任给可逆矩阵C,令B=CTAC,如果A为对称矩阵,则B也为对称矩阵,且R(B)=R(A)。
3. 任给二次型 ,总存在正交变换x=Py,使f化成标准形
,其中
是f的矩阵
的特征值。
本节的重点是用正交变换将二次型化成标准形,由于正交变换是保模的变换,所以正交变换将二次型化成标准形是今后用的最广的。难点是如何用正交变换将二次型化成标准形,其步骤较多,难度较大,但规律性很强,若抓住其规律,就容易将二次型化成标准形。
例1 求一个正交变换x=Py,将 化成标准形,并写出其标准形。
解:①将f写成矩阵
②求矩阵A的特征值
得A的全部特征值
③由 求A的特征向量
当 时,
解之得特征向量
当 时,
解之得特征向量
④由于 已经正交,须单位化得
⑤令 ,作x=Py为正交变换,将f化成标准形
1 .将f写成矩阵形式 。
2 . 求A的全部特征值。
3 . 由 求A的特征向量。
4 . 不同的特征值所对应的特征向量已经正交,只须单位化 ;
对于k重特征值 所对应的k个线性无关的特征向量,用施密特标准正交化成两两正交的单位向量。
5. 把两两正交的单位向量拼成正交矩阵P,作正交变换x=Py,则x=Py把f化成标准形
。
若存在可逆矩阵P,使得 ,则称矩阵A和矩阵B是合同的。
1.若A合同B,则R(A)=R(B);
2.任何一个对称矩阵均可合同于一个对角矩阵;
3.若 ,且C可逆,A对称,则
其中 是初等方阵。
由于
即 (1)
(2)
结合(1)和(2),得
本节的重点是用配平方法和合同变换法将二次型化成标准形,难点是具体化标准时的具体方法的运用。
用配平方法将
化成标准形,并写出所用的可逆线性变换。
解:
令
则
所用可逆的线行变换为
例2.用合同变换法将
化成标准形,并写出所用的可逆线性变换。
解:二次型f的矩阵
由于
所以
则x=Cy把f化成标准形
1 .正定二次型
设有实二次型 ,如果对任何x≠0都有f(x)>0(显然f(0)=0),则称f为正定二次型,并称矩阵A是正定的,记之A>0.
2 .负定二次型
对于实二次型 ,如果对任何x≠0都有f(x)<0,则称f为负二次型,并称矩阵A是负的,记之A<0.
惯性定律
设有实二次型 ,它的旨为r,有两个实可逆变换
x=Cy,及x=Pz
使
及
则 中正数的个数相等。
正定二次型的判定
实二次型 为正定的充分必要条件是:它的标准形的n个系数全为正。
正定矩阵的判定
对称矩阵A为正定的充分必要条件是:A的特征值全为正。
对称矩阵A为正定的充分必要条件是:A的各阶顺次主子式都为正。即
负定矩阵的判定
对称矩阵A为负定矩阵的充分必要条件的:奇数阶主子式为负,而偶数阶主子式为正。即
本节的重点是判定二次型的正定性,理解正定二次型的实际意义,难点是正定二次型正定性判定定理的证明及其二次型正定性的证明。
当 为何值时,二次型
为正定二次型?
解:二次型f的矩阵A为
由于3>0,
即
故当 时,f为正定二次型。
由于二次型f与对称矩阵是一一对应的关系,要证二次型正定,则可证明其对应的对称矩阵正定;反之若要证明对称矩阵为正定矩阵,也只须正它所对应的二次型为正定二次型。
例2 .设 矩阵,若R(A)=n,则ATA为正定矩阵。
证:因为 ,所以ATA为对称矩阵,又因R(A)=n,那么,对任何n维列向量x≠0,则
,于是
故 为正定二次型,因此ATA为正定矩阵。
例3 .设3阶实对称矩阵A满足 ,且R(A)=2,(1)写出
在正交变换下的标准形;(2)判定
的正定性;(3)求在||x||=1时f的最大值和最小值。
解:设 是A的特征值,x是A的关于特征值
所对应的特征向量,从而
,
由已知 ,而x≠0,所以
由于R(A)=2,所以 是A的3个特征值。
又A+E仍是实对称矩阵,且特征值为3,3,1,从而在正交变换下的标准形
(1)
(2) 由于f的标准形的系数全为正,故f为正定二次型。
(3) 由于
即1≦f≦3 故当||x||=1时,f的最大值为3,最小值为1。
from: http://dec3.jlu.edu.cn/webcourse/t000022/teach/index.htm